Всички приказки за директно изследване на земната вътрешност приключват на ръба на Кола. На 12 километра дълбочина температурата достигна около 180 градуса по Целзий — много над очакванията на тогавашните инженери, което, заедно с пластичността на скалите при това налягане и постоянните срутвания на сондажната колона, превърна проекта в скъпо архивно гробище за оборудване. Човешката цивилизация така и не проби границата на Мохоровичич, камо ли да се доближи до мантията. Твърдението, че ядрото се нагрее до температурата на повърхността на Слънцето, не е плод на директно измерване, а на десетилетия косвени изчисления, базирани на механизми, които нямат нищо общо с класическата термометрия.
Ехото от земетресенията като лаборатория
Когато една тектонична плоча се подхлъзне, планетата действа като гигантски резонансен механизъм. Вълните, които се разпространяват от епицентъра, се делят на два основни типа: надлъжни (P-вълни), които свиват и разтягат скалната маса, и напречни (S-вълни), които я срязват настрани. Тук физиката на флуидите поставя първия твърд лимит. Течностите не притежават устойчивост на срязване. Поради тази причина S-вълните просто спират, когато срещнат течна преграда.
През 1906 г. британският геофизик Ричард Олдъм забелязва тези аномалии в регистрираните сеизмограми. До 1914 г. Бено Гутенберг вече бе изчислил границата на тази зона — приблизително 2900 километра под повърхността. P-вълните преминават през тази среда, но се пречупват толкова рязко, че на повърхността се образува т.нар. „сеизмична сянка“ между 104 и 140 градуса спрямо източника на труса. Това бе първото доказателство, че под скалната мантия лежи огромен слой от течен метал.
През 1936 г. датският сеизмолог Инге Леман анализира записи от силни земетресения в Нова Зеландия и открива слаби P-вълни, затиснати дълбоко в зоната на сянката, където според тогавашните модели не трябваше да има абсолютно нищо. Нейната хипотеза бе сурова, но елегантна: вътре в течното ядро има втора, твърда сфера с радиус около 1220 километра, която отразява част от сеизмичната енергия обратно към повърхността.
Десетилетия по-късно, след мощни събития като земетресението в Чили през 1960 г., спътниковите и сеизмичните мрежи уловиха собствен геодинамичен спектър — планетата трептеше с часове като масивна метална камбана. Спектралният анализ на тези свободни трептения окончателно потвърди модела: под течното външно ядро лежи плътна, твърда желязна топка.
Термодинамика на диамантения натиск
След като сеизмолозите определиха плътността и границите на слоевете чрез разпространението на вълните и изчисленията за момента на инерция на Земята, математиката зададе спретнати рамки за налягането: около 3,3 милиона атмосфери на границата между външното и вътрешното ядро (на дълбочина 5150 км) и близо 3,6 милиона атмосфери в самата централна точка.
Въпросът как се превръща това налягане в градуси се свежда до физиката на фазовите преходи. На дълбочина от 5150 километра течното желязо преминава в твърдо състояние. Това означава, че на тази конкретна линия температурата на ядрото съвпада с точката на топене на желязната сплав при налягане от 3,3 милиона атмосфери.
Тъй като е невъзможно да се слезе на 5000 километра под земята, експериментът бе пренесен в лабораториите. Изследователите използват т.нар. диамантени клетки с аковади — устройство, при което микроскопично проба от чисто желязо се затяга между върховете на два обработени диаманта. Поради нищожната площ на контакт, прилагането на относително малка механична сила генерира налягания от порядъка на милиони атмосфери. Задръжте желязото под този безумен натиск, загрейте го с импулсен лазер и насочете синхротронни рентгенови лъчи през диамантите, за да регистрирате точния момент, в който кристалната решетка се разрушава и металът се стопява.
През 2013 г. френски екип от изследователи (воден от Агнес Буоние от CEA) съпостави експерименталните данни с компютърни квантово-механични симулации. Данните за чистото желязо при налягане от 3,3 милиона атмосфери показаха температура на топене от около 6000 Келвина (приблизително 5700 °C).
